一種適用于低軌星載通信偵察系統的解調方法?

巢捷頻，李 晟

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

一種適用于低軌星載通信偵察系統的解調方法?

巢捷頻，李 晟

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

介紹了低軌星載通信偵察的特點，針對偵察中多普勒變化率相對信號帶寬較大時傳統技術無法跟蹤和解調PSK信號的問題，提出一種基于改進的三階鎖相環的解調方法和實現途徑，并使用該方法研制了解調軟件，在實際工程中進行了成功應用，滿足了低軌衛星偵察系統對該類信號解調的需求。

低軌衛星；偵察系統；BPSK；QPSK；解調

1 引言

低軌通信偵察衛星運行在距地面數百公里高的軌道上，需要對一定頻段內的通信信號進行偵察，具體包括確定信號的調制形式、調制參數、對信號進行測向定位以及解調。目前解調常用的方式是在衛星平臺上進行采樣，數據傳回地面后使用解調軟件進行信號解調處理。

低軌星載通信偵察中的解調，與普通的通信信號解調相比，主要的技術特點有：偵察需要進行非合作解調，相對合作解調更加困難；多普勒頻移及其變化率較大，解調困難。通常，解調可以分為相干解調和非相干解調兩大類。在低軌通信電子偵察衛星應用中，偵收信號信噪比普遍較低，需選用相干解調。現有相干解調技術中應用最為廣泛的二階環跟蹤環路結構，但如果信號多普勒頻率變化快，二階鎖相環的載波捕獲時間較慢，頻率捕獲能力很有限。三級環路在載波跟蹤方面表現比二階環優越，傳統的三階環路可以滿足本應用中帶寬在千赫量級以上的解調，但對于碼速率更低的信號也無能為力［1］。

為解決上述問題，我們基于傳統的三階鎖相環路，提出了一種改進的解調方法，并進行了實際應用驗證。

2 基于三階鎖相環的改進解調方法

改進的解調方法功能框圖如圖1所示。

本方法與傳統的解調方法相比，主要特點有：

（1）把傳統鎖相環按最佳采樣點進行反饋的機制改為按每個采樣時刻進行反饋，這樣大大提高了環路反饋頻率，可以更有效地跟蹤載波；

（2）采用了自動頻率跟蹤環來解決載波頻率跟蹤問題，適合于偵察中的非合作解調。圖1中頻差檢測、積分反饋構成自動頻率跟蹤環路，此方法可以解決初始頻差可能會超過鎖相環的捕獲帶寬的問題，將頻差控制在鎖相環路的捕獲帶寬內，這部分用在相位同步環路鎖定之前，當鎖定指示顯示環路鎖定后就立即關閉此環路，以免影響三階環路的穩定性。

3 具體實現途徑

本方法可以使用計算機軟件實現，具體實現流程如圖2所示。各具體步驟下面分別敘述。

（1）測量信號初始頻率

數據輸入時，取一定量的起始數據進行測頻計算。對BPSK／QPSK信號可以利用對其平方譜和四次方譜進行頻率測量，得到初始頻率f0［2］。

（2）數字下變頻、FIR濾波抽取

將中頻采樣信號與混頻頻率信號進行混頻，將中頻信號下變頻到基帶，其中下變頻混頻頻率為信號初始頻率（f0）與環路反饋相位產生的頻率（fΔ）之和。

與傳統的解調方法不一樣的是，此處的下變頻頻率不是根據每個符號最佳采樣時刻的插值序列進行，而是根據每個采樣點實時的反饋信息進行。濾波器選擇FIR低通抽取濾波器，抽取倍數根據信號的碼速率、采樣率決定。設計時抽取濾波后采樣率根據碼速率分為兩種情況：碼速率大于400 bit／s時采樣率約為20倍碼速率；碼速率小于400 bit／s時采樣率約為60倍碼速率，可以取得比較好的效果。

（3）基帶信號匹配濾波

非協作解調中信號發送方的濾波形式及系數不能確定，一般可選擇根升余弦0.6系數為匹配濾波器系數，經仿真此系數的不同設置對解調性能的適應性較強，當然也可以人工選擇匹配濾波器類型和系數。

（4）濾波后信號非線性變換

根據BPSK、QPSK調制方式的不同需要進行不同的處理，BPSK需要進行二次方非線性變換，QPSK需要進行四次方非線性變換，主要目的是為了消除調制，為后面相差估計提供條件［3］。

（5）位同步

位同步采用閉環反饋結構，關鍵的時間誤差檢測算法采用Gardner的DD算法，定時誤差采用2倍符號率采樣，其中一個采樣點為符號最佳采樣，另一個為兩個最佳采樣點之間的采樣點［4］。

（6）自動增益控制（AGC）

將下變頻濾波抽取后的非線性變換信號進行歸一化處理，消除信號幅度變換帶來的影響。

（7）相差估計

鑒相器根據I、Q兩路基帶信號進行相位估計，此信號就是載波相位同步時的相位差，相位差作為三階環濾波器的輸入。

（8）三階環濾波器

采用兩個二階環級聯成三階環，第一級的二階環路輸出作為第二級二階環的輸入，第二級環路的輸出作為整個三節環路的輸出，二階環數字鎖相環采用并聯形式。

理想二階環的環路濾波器S域傳遞函數如式（1），τ1和τ2分別為典型二階環路的增益控制系數，s為頻率的表征，可構造三階環的環路濾波器如式（2），三階環的開環傳遞函數如式（3）。根據環路穩定性條件和環路噪聲帶寬不能為無窮大，則必須滿足捕獲帶寬是環路必然進入鎖定的最大固有頻差［5］。

下面將設計的三階鎖相環轉化為數字形式，鎖相環設計中，只需轉換環路濾波器，見式（2），將其進行拉普拉斯反變換，然后進行Z變換即可得該設計的關鍵系數，其中T為碼元周期，具體如公式（4）～（7）：

（9）頻差估計

考慮到實際情況，初始頻差可能會超過鎖相環的捕獲帶寬，或是由于頻差變化速率大導致鎖相環失鎖。因此，在系統還需要使用自動頻率控制（AFC），通常自動頻率控制技術是用在相位同步環路鎖定之前，將頻差控制在鎖相環路的捕獲帶寬內。此處采用了非輔助判決前饋式載波頻差估計的方法，實時地估計出載波頻率，并對載波頻率進行修正，使頻差進入到鎖相環的捕獲帶寬內。頻差估計應用了符號自相關頻差估計算法，是基于符號最佳采樣點時刻數據進行計算的。

在接收端，假設獲得的符號定時且無符號間干擾，基帶信號表達形式為

式中，｛ak｝為獨立同分布的等概數據，1／T為符號速率，fd是未知載波頻偏，θ0是未知載波相位，v（kT）是實部與虛部統計獨立的復值高斯白噪聲。針對2π／M旋轉對稱星座，載頻偏差估計表達式為式（10），其中L為經驗參數，一般取大于20的整數，N為觀察長度，Z（KT）=rM（KT），R（m）為序列Z（KT）自相關的估計值見式（9），頻差fd的計算如式（10）：

（10）相位積分

將頻差估計值換算為相位和三階環路濾波器輸出值進行累加，為整個環路的反饋輸出改變混頻頻率，引導下變頻濾波。

（11）鎖定指示

鎖定指示根據最佳采樣點的I、Q數據進行閾值判斷，閾值取較低信噪比情況下的經驗值。

（12）判決、解調輸出

對位同步中最佳采樣時刻的信號進行判決輸出0、1碼流序列，解調軟件將解調結果按二進制數據順序進行存儲，以便查詢及后續處理。

4 性能分析與實際應用

我們以本方法為基礎，研制了衛星通信偵察信號解調軟件，根據應用需求，針對表1所示不同的頻率和碼速率的信號進行了大量的測試。在地面系統測試中，利用掃頻源模擬多普勒變化的情況來進行驗證；衛星發射后，在軌測試階段利用地面標校信進行測試，結果均達到指標要求（誤碼率小于1×10-4）。

圖3為多普勒頻移變化情況下對QPSK信號進行解調時，軟件顯示的星座圖。

對大于85 ksample／s的信號，我們使用MATLAB進行仿真，仿真條件主要針對碼速率在100 kbit／s以上調制信號，采樣率均高于20倍碼速率，Eb／N0=10 dB，發射信號滾降因子變化范圍為0.2～1，接收采用的是滾降因子為0.4的匹配濾波器。仿真結果如下：

（1）信號滾降因子變化對系統性能的影響不大；

（2）信噪比為10時，BPSK、QPSK均可達到10× 10-4的誤碼率要求；

（3）在同等信噪比及測頻誤差情況下，碼速率越高可跟蹤多普勒變化率極限值越高；

（4）在采樣率足夠高情況下，對500 kbit／s調制信號仿真時，可跟蹤多普勒變化率可達到100 kHz／s。

圖4為仿真平臺下碼速率為100 kbit／s的BPSK信號在多普勒變化率為20 kHz／s情況下的相位估計誤差曲線及鎖定指示曲線。

圖4中θe為環路反饋相位與實際信號相位的差值，Z為鎖定指示值，鎖定指示值大于閾值（Threshold，圖中值為0.2的直線）時就表示環路已經鎖定。從圖中可以看出，本方法對較大寬帶的信號也具備良好的跟蹤性能。

5 結論

上述基于傳統的三階鎖相環路進行改進的PSK信號解調方法，結合了自動頻率跟蹤環路的功能，同時加快了環路反饋速度，使得其非常適合于通信偵察中對大多普勒變化率信號的解調。根據這種方法研制的解調軟件，在衛星的地面測試和在軌運行中表現良好，證明了本方法的有效性。目前本方法主要應用在軟件解調上，解調實時性受到限制，但其也具備根據需要移植到硬件中進行實時解調的潛力。

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CHAO Jie-pin was born in Jingdezhen，Jiangxi Province，in 1977.He received the B.S.degree in 2000.He is now an engineer and also a graduate student.His research direction is signal processing.

Email：chaojiepin＠gmail.com

李晟（1980—），湖北隨州人，碩士，工程師，主要研究方向為信號處理。

LI Sheng was born in Suizhou，Hubei Province，in 1980.He is now an engineer with the M.S.degree.His research direction is signal processing.

A Demodulation Method Based on Third-order PLL for LEO Satellite Reconnaissance System

CHAO Jie-pin，LI Sheng
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

The characteristics of satellite-based communication reconnaissance is introduced.An improved demodulation method based on third-order phase-locked loop（PLL）is proposed to solve the problem that conventional technology cannot track and demodulate PSK signal when the Doppler changing rate is large relative to signal bandwidth in reconnaissance.With this method，the demodulation software has been developed and applied in practical engineering.This method meets the needs of LEO（Low Earth Orbit）satellite reconnaissance system for signal demodulation.

LEO satellite；reconnaissance system；BPSK；QPSK；demodulation

TN763

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.05.009

巢捷頻（1977—），男，江西景德鎮人，2000年獲學士學位，現為碩士研究生、工程師，主要研究方向為信號處理；

1001-893X（2011）05-0042-04

2011-01-30；

2011-04-14